以往工作对区内变质构造的研究比较薄弱。在变质岩区对大面积分布的韧性剪切带进行专门研究, 划分出2类不同类型的韧性剪切带: 一类是发生在各个构造单元之间的韧性剪切带, 特征是其中存在一条分划性构造面, 称为韧性断层; 另一类是构造单元内部的韧性剪切带, 特征是其中没有明显的位移, 仅是矿物定向排列, 称为韧性强变形带。

通过对变质构造的研究, 进一步划分构造单元, 以便查明各个构造单元的物质组成、变质变形特点, 建立了早前寒武纪地质构造事件演化序列。将新太古代构造单元划分为阴山新太古代弧盆带、大同— 阳高新太古代微陆块、桑干新太古代大陆边缘岩浆弧、恒山新太古代微陆块、五台新太古代弧盆带和阜平新太古代微陆块(图2)。将古元古代构造单元划分为阴山陆块、恒山— 集宁古元古代碰撞造山带和阜平— 五台陆块, 其中图幅只涉及恒山— 集宁古元古代碰撞造山带1个一级构造单元, 该构造单元又可进一步划分为凉城— 集宁古元古代重熔杂岩带(超高温变质带, 包括古元古代被动陆缘沉积和古元古代后碰撞岩浆弧2个次级构造单元)、古元古代再造杂岩带(高压麻粒岩带)和古元古代陆缘弧。查明了各个构造单元的物质组成及其变质变形特点, 建立了早前寒武纪地质构造事件演化序列和早前寒武纪地质构造演化模式, 恢复了本区的地质构造发展史, 认为本区经历了五台期、吕梁期2次陆-陆碰撞事件。

将早前寒武纪的构造变形划分为五台期、吕梁期等2期4次, 查明新太古代大同— 阳高岩浆岩带片麻岩分布区其变形样式以穹隆构造和卵形构造等开阔的短轴背向形褶皱为主, 其强变形带和弱变形域相间分布; 认为集宁岩群的变形样式以NEE向线形构造为主, 层间紧闭同斜褶皱发育, 并叠加有后期开阔褶皱, 提出集宁岩群是一套经后期构造加厚、层状无序的构造岩石地层单位。

各构造单元之间应以大型构造带相分隔。如大同— 阳高新太古代微陆块与桑干新太古代大陆边缘岩浆弧之间存在大型韧性剪切带, 该韧性剪切带也称为大同市畅家岭韧性断层。带内岩石韧性变形强烈(图3), 广泛发育构造片麻理、构造条带和眼球状构造。

图3

Fig.3

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	图3 大同市畅家岭韧性断层Fig.3 Changjialing ductile shear zone in Datong city

片麻理和条带平直且线理发育。矿物变形也十分明显, 石英集合体定向分布形成拉伸线理。在露头规模范围内, 能见到无根褶皱、鞘褶皱和揉流褶皱。因剪切轴面再次褶曲, 呈现叠加褶皱现象。长石石英岩被强烈拉长形成条带状或透镜体, 透镜体内石英强烈拉长成为S线理, 与剪切面C面理构成S-C组构。构成碎斑结构的碎斑为石榴石、钾长石和斜长石, 多发生明显的塑性变形, 并且发生旋转, 形成不对称的“ σ 型” 和“ δ 型” 碎斑系, 碎斑圆化程度高, 周边细小的长石重结晶作用强。构造指向亦为上层面相对于下层面由NW— SE向剪切, 剪切带性质为右行逆冲。

该剪切带构造岩石类型为强直片麻岩、构造片岩及糜棱岩。带中矿物拉伸线理极为发育。灰黑色石墨石英片岩, 极薄片理, 较坚硬。岩石经强烈韧性剪切, 块状石英岩被改造成片状和条带状, 或为豆荚状, 改造弱的地方块状石英岩和片状石英岩间隔出现。浅粒岩被透镜化。石英晶体多呈霏细状颗粒, 重结晶生成的石英、绢云母、石墨等变晶集合体定向排列, 构成明显的平行条带。长英质矿物表现为压扁拉长, 一般排列具定向性。新太古代葛胡窑片麻岩变形最为明显, 与围岩共同形成似层状地质体。在该剪切带中, 矿物变形以长英质矿物最为明显, 石英集合体多为豆荚状、拔丝状, 其长宽比(XZ面)可达6∶ 1~9∶ 1, 长轴定向分布, 构成矿物拉伸线理。钾长石、斜长石多呈眼球状或透镜状, 形成“ σ ” 型和“ δ ” 型旋转碎斑系。暗色矿物角闪石、绿泥石、黑云母等定向分布, 部分形成矿物拉伸线理。

该剪切带变形矿物显微运动学特征: ①亚晶粒, 镜下所见到的主要是石英亚晶粒, 石英一般拉长定向, 在单偏光镜下为一完整颗粒, 在正交偏光镜下石英矿物颗粒内分成许多不同的消光区; ②机械双晶, 是塑性变形的标志, 镜下可以同时看到斜长石的机械双晶和生长双晶, 机械双晶主要分布于应力较大的部位, 是双晶滑移所形成; ③石英丝带, 具规则边界的拉长状, 石英颗粒呈矩状, 为同构造静态恢复重结晶产物, 矩形石英条带的成因, 比较被认同的说法是变形后的纯静态恢复生长; ④小揉皱, 拉长呈丝带状的矿物发生褶皱弯曲, 呈小揉皱状分布; ⑤旋转碎斑, 在石英长英质糜棱片麻岩中所见碎斑对为钾长石, 结晶尾主要石英相对塑性构成基质, 主要见“ σ ” 型, 指示剪切方向为右行剪切; ⑥S-C组构, 在片麻岩中, 石英颗粒呈透镜状定向排列, 构成S面理, 黑云母、白云母定向组成云母条带, 构成C面理, S-C面理指示的剪切方向为右行剪切。

经野外填图和综合整理发现, 前人所提出的各种划分方案均存在一些争议和欠缺, 主要集中在对桑干群下部(包括原葛胡窑组和黄土窑组下段)变质岩系原岩类型的争议和集宁群含义的争论, 故有必要重新建立变质岩系的划分方案, 并合理界定各个单位的含义。本次调查表明区内变质岩系可解体为变质深成岩与变质表壳岩2大部分, 因此需分别建立解体后的变质深成岩和变质表壳岩2类填图单位。本次工作对变质表壳岩提出如下划分方案(表1)。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 早前寒武纪变质地层划分特征表 Tab.1 Stratigraphic division characters of Early Precambrian metamorphic strata 时代 构造岩石地层单位 代号 岩石组合特征 分布地区 岩群 岩组 东沟村岩组 Pt1d 以厚层大理岩为主, 底部为长石石英岩、浅粒岩、富铝片麻岩 卓资县— 梅勒盖图乡— 榆树湾村一线以北西地区 古元 古代 集宁 岩群 沙渠村岩组 Pt1s 石榴长石石英岩、石榴矽线(钾长、二长)浅粒岩、石榴石英岩夹石榴矽线黑云斜长(钾长、二长)片麻岩, 或呈互层状分布, 偶见夹微含石墨石榴矽线黑云斜长片麻岩和极少量透镜状透闪大理岩 卓资县南— 凉城岱海— 丰镇— 大庄科— 大同夭乡— 三岔榆树沟一线以北西地区 黄土窑岩组 Pt1h 含石墨矽线石榴浅粒岩、含石墨矽线石榴黑云长石 (钾长、斜长、二长)片麻岩夹石墨黑云斜长片麻岩、石墨斜长片麻岩(兴和县石墨矿主要含矿层)、大理岩、石榴斜长二辉麻粒岩(变质基性火山岩) 大同市新荣区— 丰镇堡子湾— 浑源窑— 店子乡— 兴和县黄土窑 新太 古代 阳高岩组 Ar3y 磁铁石英岩、斜长二辉麻粒岩、紫苏角闪石岩、角闪二辉石岩、石榴黑云斜长片麻岩等透镜体 多呈形态变化很大的层状包体“ 漂浮” 于葛胡窑片麻岩之中, 主要见于阳高北山地区

表1 早前寒武纪变质地层划分特征表 Tab.1 Stratigraphic division characters of Early Precambrian metamorphic strata

通过本次调查和区域对比发现, 阳高岩组呈透镜状包体分布于葛胡窑片麻岩中, 将其时代确定为新太古代, 在黄土窑岩组变质基性火山岩中获得了(2 453± 19) Ma的锆石U-Pb年龄, 对沙渠村岩组进行了碎屑锆石的测年研究, 综合考虑将集宁岩群的时代确定为古元古代。探讨了区内变质表壳岩的原岩建造, 进行了沉积环境、构造背景的恢复, 认为集宁岩群形成于被动大陆边缘构造环境。

将区内变质深成岩划分为4个岩浆岩带, 对各个岩浆岩带的变质深成岩进行了详细解体与划分。

变质深成岩4个构造岩浆岩带分别为凉城— 集宁古元古代重熔岩浆杂岩带、大同— 阳高新太古代岩浆岩带、桑干新太古代构造岩浆岩带和阳高— 天镇古元古代岩浆岩带。对各个岩浆岩带的变质深成岩进行了详细解体与划分, 查明了各个地质体的空间分布、物质组成及变质变形特点, 开展了各个地质体的岩石化学、地球化学方面的研究, 并在各个岩浆岩带中获得了大量锆石U-Pb年龄, 为区内早前寒武纪岩浆活动研究提供了年代学的新资料, 建立了本区早前寒武纪岩浆演化序列。在大同— 阳高岩浆岩带中获得了11件(2 500± 13)~(2 558± 18) Ma的锆石U-Pb年龄, 在凉城— 集宁古元古代再造岩浆杂岩带中获得了10件(1 921± 12)~(2 024.6± 7.3) Ma的锆石U-Pb年龄, 从而确认凉城— 集宁古元古代重熔岩浆杂岩带形成于古元古代。在桑干新太古代构造岩浆带中获得了2件(2 500± 11) Ma和(2 502± 14) Ma的锆石U-Pb年龄, 在阳高— 天镇古元古代岩浆岩带中变质辉石二长岩中获得了(1 808± 8.8) Ma的锆石U-Pb年龄。在此基础上探讨了早前寒武纪岩浆活动的成因、演化规律及构造背景。提出凉城— 集宁古元古代再造岩浆杂岩带是在后碰撞由挤压环境向伸展构造背景转换过程中, 下地壳发生拆沉作用, 地幔岩浆上涌, 引发集宁岩群重熔, 从而形成了以强过铝花岗岩浆为主的幔源、壳幔混合和壳源等多种变质深成杂岩侵位。认为葛胡窑片麻岩具有镁闪长岩的岩石化学特征, 其成因与基性岩的部分熔融有关, 形成于与大洋俯冲有关的构造环境中, 以葛胡窑片麻岩为主的大同— 阳高新太古代岩浆岩带形成于岛弧构造背景, 并逐步发展为微陆块。本次工作厘定出的桑干新太古代构造岩浆岩带由以上深井片麻岩为代表的TTG-高钾钙碱性深成岩组成, 侵位于大同— 阳高微陆块上, 形成于大陆边缘弧的构造环境中。

对区内中生代侵入岩进行了调查研究, 查明了其空间分布、岩石特征、岩石化学及地球化学特征, 探讨了岩石成因和构造背景。在青尖坡石英二长岩中新获得(241.1± 1.7) Ma、在西施沟粗粒斑状正长花岗岩中新获得(160.19± 0.50) Ma、在兴和县大青山斑状二长花岗岩中获得了(139± 1) Ma的锆石U-Pb年龄, 建立了中— 新生代岩浆演化序列, 探讨了中生代岩浆活动对成矿的制约关系。认为区内西施沟复式岩体具有壳幔混合的成因特征, 形成于挤压构造背景。

对区内早前寒武纪变质岩系变质矿物特征进行了研究, 对变质作用特点、变质相带划分进行了系统调查研究。查明了不同变质体的变质矿物组合特点和矿物世代关系, 将区内变质作用划分为新太古代五台期第一次麻粒岩相变质、新太古代五台期第二次高角闪岩相-麻粒岩相变质、新太古代五台期第三次麻粒岩相-角闪岩相变质、古元古代吕梁期第一次麻粒岩变质、古元古代吕梁期第二次角闪岩相-麻粒岩相变质及局部超高温变质及古元古代吕梁期第三次绿片岩相变质等6期变质作用。研究了变质相带分布、各期变质作用发生的温压条件, 讨论了变质作用的p-T演化轨迹, 探讨了变质作用发生的构造背景, 认为区内阳高岩组经历本区最早一次的变质作用, 新太古代五台期第二次变质作用发生于以葛胡窑为代表的大同— 阳高岩浆岩带, 具有逆时针的p-T轨迹, 形成于岛弧的构造环境。新太古代五台期第三次变质作用可划分角闪岩相-麻粒岩相, 主要发生于集宁岩群与桑干岩浆岩带中, 形成于碰撞构造环境中。古元古代吕梁期第一次麻粒岩变质作用的发生与南北陆块之间的碰撞作用有关。在区内土贵乌拉新发现了由尖晶石、紫苏辉石确定的超高温变质矿物组合和露头点, 认为超高温变质作用发生的机制与幔源岩浆的上涌有关, 其形成的构造背景为后碰撞由挤压环境向伸展背景转换过程。将区内的混合岩化作用划分为新太古代和古元古代2期, 并认为区内混合岩化作用主要与中深构造相下的深熔作用有关, 少量为与岩浆活动有关的混合岩化作用。在葛胡窑片麻岩中获得了(2 484± 36)~(2 534± 36) Ma和(1 858± 12)~(1 882± 18) Ma 2组变质年龄, 在凉城— 集宁重深型岩浆杂岩带中获得了(1 923± 9)~(1 933± 13) Ma 和(1 885± 23) Ma 2组变质年龄, 为区内区域变质作用变质时代的确定提供了新资料。

对区内中生代构造进行了重点调查, 查明了各个盆地的盆缘构造特征和不同方向、不同期次、不同性质断裂的分期配套关系。尤其是查明了大同盆地西缘口泉山大型构造带的空间展布、性质、断裂组合及运动学特征, 对探讨山西中— 新生代盆地的演化发展具有重要意义。

区内大同盆地西缘大型构造带是在挠褶构造的基础上叠加断层而形成的。大型挠褶构造是隐性的, 以往调查都忽略了。构造带内地层产状明显发生变化, 由平缓变为陡倾, 直立倒转, 甚至折叠; 然后再逐步变缓, 恢复正常。大型挠褶构造一般位于大型隆起构造的边部, 是地壳强烈隆升的标志。

大同盆地西缘口泉山构造带是一条大型构造带(图4), 位于大同市之西盆地边缘, 北起大同市新荣区夏庄, 向南延伸, 经青磁窑、口泉后延伸出区外, 区内长约28 km。构造带强烈影响的地质体宽度1~6 km, 空间上呈 S型展布。该构造带是在大型挠褶构造带上叠加断裂构造而成。

图4(A)是大同市新荣区夏庄— 白山村公路旁的一个断面, 观察到该构造带地层陡倾, 甚至倒转。由于后期断裂构造的破坏, 构造形态保存不全, 但显示多期活动双向逆冲: 前寒武纪变质岩黄土窑岩组与侏罗系大同组之间为断层接触, 之上被白垩系助马堡组角度不整合覆盖。后又被侏罗系大同组逆冲其上。并且断层(F58)又被新近系静乐组不整合覆盖。说明在白垩系助马堡组沉积之前有一次构造运动, 形成变质岩黄土窑岩组与侏罗系大同组之间的断层接触, 可能是燕山运动一期构造运动所为; 在白垩系助马堡组沉积之后, 新近系静乐组之前又有一次构造运动, 应该属于燕山运动二期构造活动。

图4

Fig.4

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	图4 口泉山构造带素描图Fig.4 Kouquanshan tectonic belt sketch

在青磁窑村口泉山构造带宽度约1 km, 明显受该构造带影响的宽度为3~5 km, 明显为一挠褶构造(图4(B)), 挠褶构造面向西南, 落差约1 km。带内地层既受到强烈的挤压, 又受到强烈的拉拽。地层陡倾, 甚至倒转。拉薄缺失, 挤压透镜体发育。构造带总体呈330° ~340° 方向延伸, 主要涉及的地质体有寒武系馒头组、张夏组, 侏罗系永定庄组、大同组和云岗组一、二段。横向上地层产状的变化是东陡西缓, 从馒头组直立-倒转带开始, 到陡倾斜带和缓倾斜带, 愈往西倾角愈缓, 至云岗组二段趋于正常; 带内岩层相对滑动和变位、拉薄和缺失、褶皱和断裂。青磁窑村东侧断层(F58)发生在馒头组和基底变质岩之间。断裂走向330° ~340° , 向南变为40° ~50° 。断面产状NE∠60° ~80° , 向南变为SE∠70° ~80° 。断层破碎带宽4 m, 断距1 km。基底岩石灰红色角闪斜长片麻岩高角度逆冲在馒头组紫红色泥岩之上。在馒头组和张夏组之中发育一组垂直构造带走向的节理, 有些甚至为倾向走滑小断层, 将地层错开2~3 m。侏罗系永定庄组一层厚5 m的砾岩层呈S型展布, 沿走向追索该砾岩层产状时而倒转, 时而正常。这种现象在直立— 倒转带很常见。永定庄组角度不整合在张夏组之上, 两者接触带上有厚度不大的铁帽。劈理化带、挤压透镜体等发育。断裂带内变形强弱变化明显, 具分带现象。断面上见有大量擦痕线理, 指示东盘为上升盘。

在拖皮村该构造带宽2 km, 带内岩石变形比较强烈。比较大的断裂有4条(图4(C)), F58断裂位于拖皮村后的龙王庙旁, 断裂两侧的岩石为馒头组泥岩和基底变质岩, 基底岩石高角度逆冲在馒头组紫红色泥岩之上。断面朝东倾, 倾角76° , 挤压破碎带仅20 cm, 破碎带内构造角砾和透镜体发育。基底变质岩中发育一组与断面平行的节理。d₂断裂发生在张夏组之中, 张夏组中还发育2组节理。d₃断裂发生在太原组之中, 使太原组厚度变薄。F59断裂位于最西端, 断裂两侧地层均为山西组, 破碎带宽50 cm, 2组扭裂面发育, 两者的夹角锐角指示W盘为上升盘。山西组中地层受挤压后形成比较宽缓的N形褶皱。褶皱枢纽产状: 35° ∠40° ; 2组扭裂面产状: c.300° ~318° ∠40° ~50° , s.286° ~320° ∠55° ~70° ; 断层产状: F58.130° ∠76° , d₂.292° ∠78° , d₃.120° ∠68° , F59.315° ∠40° ; 节理产状: j₁.280° ~315° ∠65° ~75° 、120° ∠55° ~70° , j₂.285° ~330° ∠70° ~78° 、110~128° ∠45° ~75° 。

在口泉村该构造带总体呈30° ~40° 方向延伸, 构造带的宽度为0.6~1 km。主要涉及地质体有奥陶系冶里组、三山子组, 石炭系— 二叠系太原组、山西组, 侏罗系永定庄组和大同组。横向上地层产状东陡西缓, 从直立-倒转带开始, 到陡倾斜带和缓倾斜带, 愈往西倾角愈缓(图4(D)); 纵向上地层产状上陡下缓。带内岩层相对滑动和变位、拉薄和缺失、褶皱和断裂。不但在岩层层面上留下大量运动擦痕, 有的甚至在层内(切层)留下多个方向的运动擦痕。前人认为山前地层的直立倒转是由于在山前可能存在一个向东倾斜的断裂构造, 由断裂东南翼逆掩所致。实际上明显的断裂构造是不存在的。山前基岩与第四系之间确有断层, 但断层为一条新生代正断层, 该正断层是形成新生代盆地的主干断裂。